Filtrasyon

Filtrasyon, sıvının veya gazın geçmesine izin verirken katıları tutan bir filtre ortamı kullanarak katıların bir sıvıdan veya gazdan izole edilmesi işlemidir.^[1] Bu ayırma tekniği, partikül boyutu, şekli ve yoğunluk farklılıklarından yararlanarak safsızlıkları giderdiği, sıvıları berraklaştırdığı ve değerli malzemeleri geri kazandığı çok sayıda endüstriyel ve bilimsel uygulamada temeldir.^[2]

Filtrasyon prensipleri, bir süspansiyonun veya aerosolün, basınç, vakum veya yerçekimi altında kumaş, granüler ortam veya membranlar gibi gözenekli bir bariyerden geçirilmesini içerir.^[3] Temel mekanizmalar arasında süzme (daha büyük partiküllerin fiziksel olarak engellendiği), kesişme (akışkan etraflarından akarken partiküllerin filtre liflerine yapışması), çarpma (eylemsizliğin partiküllerin liflerle çarpışmasına neden olması) ve difüzyon (rastgele hareketin küçük partikülleri filtre yüzeyinde tuzağa düşürmesi) yer alır.^[2] Bu süreçler, akış hızı, partikül boyutu dağılımı ve filtre gözenek yapısı gibi faktörlere bağlı verimlilikle, yüzey filtrasyonunda (filtre yüzeyinde tutulma) veya derinlik filtrasyonunda (ortamın kalınlığı boyunca yakalama) meydana gelebilir.^[2]

Filtrasyon sistemleri, küçük ölçekli operasyonlar için kartuş ve torba filtreler, kimyasallar ve madencilikte parti (batch) işleme için filtre presleri ve vakumlu tamburlar ve büyük hacimli su arıtımı için kum yatakları gibi granüler yataklı filtreler dahil olmak üzere belirli ihtiyaçlara uyacak şekilde büyük ölçüde değişir.^[2] Uygulamalar, su ve atık su arıtımını (güvenlik standartlarını karşılamak için askıda katı maddelerin giderilmesi), hava kalitesi kontrolünü (endüstriyel egzozlardaki toz ve kirleticilerin yakalanması), farmasötik üretimi (ısı olmadan çözeltilerin sterilizasyonu) ve gıda işlemeyi (meyve sularının ve yağların berraklaştırılması) kapsar.^[2] Modern bağlamlarda, membran filtrasyonu gibi gelişmiş varyantlar, moleküler düzeyde hassas ayrımlar sağlayarak biyoteknoloji ve çevresel iyileştirme çabalarını destekler.^[4]

Filtrasyonun Temelleri

Tanım ve İlkeler

Filtrasyon, katı partikülleri sıvılardan veya gazlardan ayıran mekanik bir ayırma işlemidir. Bu işlem, karışımın gözenekli veya geçirgen bir ortamdan geçirilmesiyle gerçekleşir; bu ortam, katıları tutarken süzüntü (filtrat) olarak bilinen sıvının akmasına izin verir. Bu ayrım, temel olarak partikül boyutunun ortamın gözenek boyutlarına oranına dayanır.^[5] Ayırma, partiküller ve filtre yüzeyi arasındaki elektrostatik çekim veya itme gibi etkileşimleri etkileyen partikül yükü gibi diğer özelliklere de bağlı olabilir.^[5] “Filtrasyon” terimi, Orta Çağ Latince fiili olan ve “süzmek” anlamına gelen filtrare kelimesinden türemiştir; bu kelime de tarihsel olarak sıvıları süzmek için kullanılan keçe malzemesine atıfta bulunan filtrum kökünden gelir.^[6] Belgelenmiş en eski uygulamalardan biri, Yeni Krallık döneminde (MÖ 1570–1069 civarı) Antik Mısır’da gerçekleşmiştir; burada bira üreticileri, tortuyu gidermek ve daha pürüzsüz bir kıvam elde etmek için fermente edilmiş karışımı bez veya sepet süzgeçlerden geçirerek temel bir içecek olan birayı berraklaştırmışlardır.^[7]

Filtrasyonun temelinde yatan temel ilkeler üç ana mekanizma etrafında döner: boyut dışlama, eleme ve adsorpsiyon. Boyut dışlama, filtrenin gözenek boyutundan daha büyük partiküllerin fiziksel olarak bloke edilmesi ve yüzeyde veya ortam içinde tutulması durumunda meydana gelir.^[8] Eleme, partikülleri tek tip veya yarı tek tip gözeneklere göre boyutlarına göre ayırt ederek benzer şekilde işlev görür ve karışımları fraksiyonlara ayırmak için etkili bir şekilde moleküler elek gibi davranır.^[8] Adsorpsiyon, çözünen madde ile filtre malzemesi arasındaki hidrofobik bağlanma veya kimyasal afinite gibi yüzey etkileşimleri yoluyla partikülleri yakalayarak bunları tamamlar ve tutulmayı yalnızca boyut tabanlı engellerin ötesine taşır.^[8]

Filtrasyon verimliliğini yöneten temel bir fiziksel ilke, filtre keki veya yatağı gibi gözenekli bir ortamdaki sıvı akış hızı ile itici basınç arasındaki ilişkiyi nicelendiren Darcy yasasıdır. Yasa şu şekilde ifade edilir:

$$Q = \frac{k A \Delta P}{\mu L}$$

Burada Q hacimsel akış hızı (m³/s), k ortamın içsel geçirgenliği (m² cinsinden, gözenek yapısını ve kıvrımlılığı yansıtır), A filtrenin kesit alanı (m²), ΔP ortam üzerindeki basınç düşüşü (Pa), μ sıvının dinamik viskozitesi (Pa·s) ve L ortamın kalınlığıdır (m).^[9] Bu denklem laminer akışı varsayar ve 1856’da Henry Darcy tarafından yürütülen deneylerden ampirik olarak türetilmiştir. Darcy, dikey kum sütunlarından geçen su deşarjını değişen hidrolik yükler altında ölçmüş ve akış hızının hidrolik gradyan (Δh / L) ve kesit alanı ile doğru orantılı, viskozite ve ortamın direnci (1/k ve L ile ilişkili) ile ters orantılı olduğunu gözlemlemiştir.^[9] Filtrasyon uygulamalarında yasa, kek birikimini ve basınç gereksinimlerini tahmin eder; katılar biriktikçe geçirgenlik k azalır, böylece zamanla Q azalır.^[9]

Filtrasyondaki partikül boyutları, hem kirleticileri hem de filtrenin tutma kabiliyetini karakterize etmek için tipik olarak bir metrenin milyonda birine eşdeğer bir birim olan mikron (µm) cinsinden ölçülür. ASTM D7619 gibi standartlar, sıvılardaki partikülleri boyutlandırmak ve saymak için protokoller oluşturur; yakıt saflığı değerlendirmesi gibi uygulamalarda filtrasyon performansının tutarlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlamak için otomatik sayaçlar kullanarak 4 µm(c)’den 100 µm(c)’ye kadar kalibre edilmiş boyut bantlarını tanımlar.^[10]

Ayırma Mekanizmaları

Filtrasyon, partikülleri filtre ortamı içinde tutulmalarını yöneten birkaç birincil mekanizma aracılığıyla sıvılardan ayırır. Doğrudan kesişme veya boyut dışlama olarak da bilinen mekanik eleme, filtre ortamının gözenek boyutundan daha büyük partiküllerin yüzeyde veya gözenekler içinde fiziksel olarak hapsolması ve geçişin engellenmesi durumunda meydana gelir.^[11] Eylemsel çarpma, momentumları nedeniyle akışkan akım çizgilerinden sapan daha büyük partikülleri (tipik olarak >1 μm) yakalayarak filtre lifleri veya yüzeyleriyle çarpışmalarını sağlar.^[12] Kesişme (interception), filtre elemanlarının etrafındaki kavisli akışkan akım çizgilerini izleyen ve yüzeye temas ettiklerinde yakalanan partikülleri içerir; bu, 0,1-1 μm boyutundaki partiküller için etkilidir.^[13] Brownian hareketiyle yönlendirilen difüzyon, rastgele termal hareketin zamanla filtre lifleriyle çarpışmalarına neden olduğu çok küçük partiküller (<0,1 μm) için belirgindir.^[14] Elektrostatik çekim, yüklü partiküller zıt yüklü filtre ortamıyla etkileşime girdiğinde yakalamayı artırır ve özellikle düşük hızlı akışlarda diğer mekanizmaları güçlendirir.^[15]

Filtrasyon süreçleri, partikül tutulmasının ağırlıklı olarak nerede gerçekleştiğine bağlı olarak kek filtrasyonu ve derinlik filtrasyonu olarak genişçe sınıflandırılır. Kek filtrasyonunda katılar, filtre ortamının yukarı akış yüzeyinde birikir ve birincil filtrasyon bariyeri görevi gören gözenekli bir kek tabakası oluşturur; bu, daha büyük partiküllere sahip yüksek konsantrasyonlu çamurlar için uygundur.^[16] Tersine, derinlik filtrasyonu, yukarıda açıklanan mekanizmalar aracılığıyla filtre ortamının kalınlığı boyunca partikülleri yakalar; bu, yüzeye nüfuz eden daha düşük konsantrasyonlar ve daha ince partiküller için idealdir.^[17]

Bu mekanizmaların verimliliği, partikül özellikleri, akışkan dinamiği ve ortam özellikleri dahil olmak üzere birkaç temel faktörden etkilenir. Partikül şekli yakalama olasılığını etkiler; düzensiz veya uzun şekiller, küresel partiküllere kıyasla akım çizgileriyle daha fazla etkileşim nedeniyle kesişme olasılığını artırır.^[18] Daha yüksek partikül konsantrasyonları, yüzey filtrasyonunda kek oluşumunu hızlandırır, ancak çok katmanlı birikimi teşvik ederek derinlik modlarında hızlı tıkanmaya yol açabilir.^[19] Artan akışkan hızı kalış süresini azaltır, difüzyon ve elektrostatik etkileri azaltırken daha büyük partiküller için çarpmayı artırır.^[20] Ortam gözenek dağılımındaki varyasyonlar genel tutulmayı etkiler, çünkü tek tip olmayan gözenekler daha küçük partiküllerin daha kolay geçmesine izin verir ve derinlikle telafi edilmediği sürece verimliliği düşürür.^[21]

Tıkanma ve kaçak (breakthrough), filtrasyon performansında kritik sınırlamaları temsil eder; biriken partiküller geçirgenliği azaltır ve istenmeyen geçişe izin verir. Tıkanma, partiküllerin gözenekler içinde birikmesi veya köprüler oluşturmasıyla meydana gelir, akış yollarını aşamalı olarak bloke eder ve basınç düşüşünü artırır; bu durum genellikle dolgulu yatak bağlamlarında geçirgenlik için Kozeny-Carman denklemi kullanılarak modellenir. Bu yarı ampirik ilişki, gözenekli bir ortamın içsel geçirgenliği k‘yı şu şekilde tahmin eder:

$$k = \frac{\epsilon^3}{5 (1 – \epsilon)^2 S^2},$$

Burada ε porozite (boşluk hacmi oranı) ve S birim katı hacim başına özgül yüzey alanıdır; bu, granüler yataklardaki kılcal benzeri kanallardan laminer akışı varsayan hidrolik yarıçap kavramlarından türetilmiştir.^[22] Denklem, tek tip paketlenmiş kürelerde akış direncini etkili bir şekilde tahmin eder, ancak oldukça heterojen veya küresel olmayan ortamlarda geçirgenliği olduğundan az tahmin etmek ve daha yüksek Reynolds sayılarında eylemsel etkileri yok saymak gibi sınırlamalara sahiptir.^[23] Kaçak, gözenekler yukarı akışta yeterince tıkandığında, partikülleri kalan boşluklardan kanalize olmaya zorlayarak çıkış suyu kirlenmesine neden olduğunda, doygunluğu takip eder.^[24]

Nano ölçekte, özellikle nanofiltrasyon membranlarında, van der Waals kuvvetleri gibi ek mekanizmalar, çözünen maddeler ve membran yüzeyi arasında çekici etkileşimler indükleyerek ayırmaya katkıda bulunur; bu, organik moleküllerin ve iki değerlikli iyonların reddini basit elemenin ötesinde artırır. 2025 yılına ait son araştırmalar, bu dispersiyon kuvvetlerinin elektrostatik etkilerle birleştiğinde, yüklü poliamid membranlarda seçici iyon taşınımını nasıl mümkün kıldığını ve lityum ekstraksiyonu uygulamalarında yüksek geçirgenlik-seçicilik ödünleşimi sağladığını vurgulamaktadır.^[25]

Filtre Ortamı ve Tasarım

Filtre ortamı (medyası), filtrasyon sistemlerindeki temel bileşenler olarak görev yapar ve partikül tutma verimliliğini ve sıvı verimini belirler. Bu malzemeler, basınç, sıcaklık ve kimyasal uyumluluk gibi uygulamanın gereksinimlerine göre seçilerek, akışkanların veya gazların geçişine izin verirken kirleticileri yakalamak üzere tasarlanmıştır. Yaygın türler arasında dokuma kumaşlar, dokunmamış keçeler, granüler yataklar, membranlar ve sinterlenmiş metaller bulunur; her biri farklı yapısal ve performans özellikleri sunar.^[40]

Pamuk veya polyester ve naylon gibi sentetik malzemelerden yapılmış dokuma kumaşlar, yüzey filtrasyonu için mekanik mukavemet ve özelleştirilebilir ağ boyutları sağlar. Pamuk varyantları, sıvı berraklaştırma için hafif kimyasal ortamlarda öne çıkarken, sentetikler toz toplama uygulamalarında aşınmaya karşı gelişmiş dayanıklılık ve direnç sunar. İğneyle delinmiş yapılar gibi dokumadan liflerin birleştirilmesiyle oluşturulan dokunmamış keçeler, endüstriyel hava temizliğinde yaygın olarak kullanılan derinlik filtrasyonu yoluyla daha yüksek kir tutma kapasitesi ve verimlilik sağlar. Granüler yataklar, derin yataklı su arıtımı için kum veya organiklerin adsorptif giderimi için aktif karbon gibi gevşek partiküllerden oluşur ve aşamalı kirletici yakalama için katmanlı yapılarından yararlanır. Ultrafiltrasyon için polimerlerden dökülen polimerik tipler ve yüksek sıcaklıkta gaz ayrımı için seramik varyantları dahil olmak üzere membranlar, tek tip gözenekler sayesinde hassas boyut bazlı tutulmaya olanak tanır. Metal tozlarının veya liflerinin eritilmesiyle üretilen sinterlenmiş metaller, kimyasal işleme gibi zorlu ortamlarda aşındırıcı ve yüksek basınçlı koşullara dayanır.^[40]

Filtre ortamı için tasarım ilkeleri, tutulma ve akış direncini dengelemek için yapısal parametrelerin optimize edilmesini vurgular. Gözenek boyutu dağılımı, yakalanan partikül boyutları aralığını yönetir; daha dar dağılımlar seçiciliği artırır ancak tıkanma riskini artırabilir. ε = boşluk hacmi / toplam hacim olarak tanımlanan porozite, granüler ortamlarda tipik olarak 0,3 ila 0,8 arasında değişir ve geçirgenliği ve kapasiteyi doğrudan etkiler. Kıvrımlılık (tortuosity), ortam boyunca sıvının kıvrımlı yolunu nicelendirir ve gerçek akış yolu uzunluğunun düz hat mesafesine oranı olarak hesaplanır; genellikle daha yüksek direnci yansıtmak için azalan porozite ile artar. Kaplamalar veya fonksiyonel gruplar yoluyla değiştirilen yüzey kimyası, ıslanabilirliği veya belirli çözünen maddelere olan afiniteyi değiştirerek seçicilik kazandırır; bu, membranlarda seçici iyon giderimi gibi uygulamalar için çok önemlidir. Bu ilkeler, kanallaşmayı en aza indiren ve kullanım ömrünü en üst düzeye çıkaran tek tip mikro yapılar elde etmek için ortam üretimine rehberlik eder.^[41]^[42]

Filtre ortamında optimum akış elde etmek, özellikle basınç düşüşünün önemli bir tasarım kısıtlaması olduğu granüler yataklarda, hidrolik direncin partikül tutulmasına karşı dengelenmesini gerektirir. Laminer akış rejimleri (Reynolds sayısı < 10) için geçerli olan Blake-Kozeny denklemi, bu basınç düşüşünü Darcy yasasından ve kılcal analoglardan türetildiği şekliyle modeller. Türetme, A alanı boyunca Q akısı için Darcy yasasıyla başlar:

$$Q = -k_{\text{absolute}} A \frac{\mu}{\Delta P / L}$$

Burada kabsolute mutlak geçirgenlik, μ sıvı viskozitesi ve ΔP/L basınç gradyanıdır.

Yarıçapı b ve uzunluğu l olan dairesel bir borudaki laminer akış için Hagen-Poiseuille denklemi q = – (π b⁴ / (8 μ)) (ΔP / l) akısını verir. Toplam uzunluğu L olan gözenekli bir ortamda N paralel kıvrımlı boru olduğu ve kıvrımlılığın τ = l / L olduğu düşünüldüğünde, efektif akı Q = – (N π b⁴ / (8 μ τ)) (ΔP / L) olur. Porozite φ, boşluk oranıyla φ = (N π b² τ) / A olarak ilişkilidir; bu, kabsolute = (b² φ) / (8 τ²) sonucunu verecek şekilde ikameye izin verir.

Hidrolik yarıçap b, b = 2 φ / ((1 – φ) s) aracılığıyla özgül yüzey alanı s (birim katı hacim başına yüzey alanı) ile bağlantılıdır, ancak granüler ortamda basitlik için, d ortalama partikül çapı olmak üzere s ≈ 6 / d alınır. Böylece, L yatak uzunluğu boyunca basınç düşüşü ΔP için nihai Blake-Kozeny formu şöyledir:

$$\Delta P = \frac{180 \mu (1 – \phi)^2 v L}{\phi^3 d^2}$$

Burada v yüzeysel hızdır. Bu denklem küresel partikülleri, izotermal akışı ve eylemsel etkilerin olmadığını varsayar ve endüstriyel filtrelerin boyutlandırılması için temel bir araç sağlar.^[42]

Uzun süreli operasyonda tıkanmayı önlemek için filtre tasarımları, ortamı akışkanlaştırmak ve biriken katıları yerinden çıkarmak için akışı tersine çeviren geri yıkama ve rejenerasyon stratejilerini içerir. Granüler yataklarda, filtrasyon hızının 1,5–2 katı hızlardaki geri yıkama, yatağı %20–50 oranında genişleterek, tabakalaşmayı korurken biriken katıları etkili bir şekilde giderir. Aktif karbon gibi adsorptif ortamlar için rejenerasyon, kapasiteyi geri kazanmak için termal veya kimyasal işlemleri içerir. Endüstriyel tasarımlar, besleme kalitesindeki değişkenliği karşılamak ve kaçak olmadan güvenilir performans sağlamak için yatak derinliğinin veya akış hızlarının %20–30 oranında büyük boyutlandırılması gibi güvenlik marjlarını içerir. Kötü geri yıkama dağılımı, düzensiz temizliğe ve düşük verimliliğe yol açabilir, bu da tek tip alt drenaj sistemlerine olan ihtiyacı vurgular.^[43]^[44]

Nanomalzemelerdeki gelişmeler, 2025 uygulamaları için grafen oksit (GO) membranları gibi yüksek akılı seçenekleri tanıttı. Hibrit GO-karbon nanotüp membranlar, 100 nm’nin altındaki kalınlıklarla 60 bar basınçta 966 L m⁻² saat⁻¹ su akısına ulaşarak, kalınlık başına akıda geleneksel polimerik membranlardan 1-3 kat daha iyi performans gösterir. Bu yapılar, seçici taşıma için katmanlar arası boşluktan yararlanarak, kirlenmeye direnirken su iyileştirme ve ilaçlarda verimli nanofiltrasyon sağlar.^[45]

Biyolojik Filtrasyon

Boşaltım ve Fizyolojik Filtrasyon

Memelilerde böbrekler, kanın atık ürünlerden arındırıldığı ve temel bileşenlerin korunduğu fizyolojik filtrasyon yoluyla boşaltım için birincil organlar olarak hizmet eder. Böbreğin işlevsel birimi olan nefron, ilk filtrasyon bölgesi olarak hareket eden Bowman kapsülü ile çevrili bir kılcal damar ağı olan glomerülü içerir. Yüksek derecede özelleşmiş epitel hücreleri olan podositler, filtrasyon yarıkları oluşturmak için iç içe geçen ayak uzantılarını uzatarak glomerüler filtrasyon bariyerinin kritik bir parçasını oluşturur; bu, moleküllerin seçici geçişine izin verirken proteinler gibi daha büyük varlıkların süzüntüye girmesini önler.^[66]^[67]^[68]

Filtrasyon süreci, glomerüler kılcal damarlar arasındaki hidrostatik basınç farkları tarafından yönlendirilen Bowman kapsülündeki ultrafiltrasyon ile başlar; bu, su ve iyonlar, glikoz ve üre gibi küçük çözünenleri kapsüle zorlarken proteinleri ve kan hücrelerini kan dolaşımında tutar. Bu seçici bariyer, süzüntünün esasen proteinsiz plazma olmasını sağlar ve idrar oluşturmak için böbrek tübüllerinde daha sonraki geri emilim ve salgılama için zemin hazırlar. Glomerüler filtrasyon hızı (GFR) olarak bilinen bu ultrafiltrasyonun hızı şu denklemle nicelendirilir:

$$\text{GFR} = K_f [(P_{GC} – P_{BS}) – (\pi_{GC} – \pi_{BS})]$$

Burada Kf, glomerüler kılcal damarların yüzey alanını ve hidrolik geçirgenliğini yansıtan filtrasyon katsayısıdır, PGC glomerüler kılcal damarlardaki hidrostatik basınçtır (tipik olarak 55 mmHg civarında), PBS Bowman boşluğundaki hidrostatik basınçtır (yaklaşık 15 mmHg), πGC glomerüler kılcal damarlardaki onkotik basınçtır (yaklaşık 28 mmHg) ve πBS Bowman boşluğundaki onkotik basınçtır (genellikle 0 mmHg’ye yakındır). Bu net filtrasyon basıncı, normal koşullar altında verimli atık giderimini sürdürür.

Sağlıklı genç yetişkinlerde ortalama GFR, 1,73 m² vücut yüzey alanı başına yaklaşık 125 mL/dakikadır; bu, böbreklerin günde yaklaşık 180 litre sıvıyı filtreleme kapasitesini yansıtır. Glomerüler yapıyı etkileyen enflamatuar bir durum olan glomerülonefrit gibi hastalıklar, filtrasyon yüzey alanını azaltarak ve geçirgenliği artırarak bu bariyeri bozabilir; bu da GFR’nin düşmesine, proteinüriye ve tedavi edilmezse kronik böbrek hastalığına ilerlemesine yol açar.^[69]^[70]^[71]

Biyofilmler ve Mikrobiyal Filtrasyon

Biyofilmler, yüzeylere yapışan ve temel olarak polisakkaritler, proteinler, DNA ve lipitlerden oluşan kendi ürettikleri hücre dışı polimerik maddeler (EPS) matrisine gömülü, başta bakteriler olmak üzere mantarlar ve protozoaları da içeren yapılandırılmış mikroorganizma topluluklarıdır.^[77] Bu EPS matrisi sadece yapısal bütünlük sağlamakla kalmaz, aynı zamanda çevredeki ortamdan partikül maddeyi ve çözünenleri hapseder, böylece biyofilmlerin kirleticileri fiziksel olarak tutarak ve biyolojik olarak işleyerek doğal filtreler gibi işlev görmesini sağlar.^[78] Biyofilmlerin katmanlı mimarisi tipik olarak, oksijene bağımlı mikroplar açısından zengin bir dış aerobik katman ve besin gradyanlarının metabolik tabakalaşmayı yönlendirdiği anaerobik iç bölgelere geçişi içerir.^[79]

Filtrasyon bağlamında biyofilmler, EPS matrisinin kirleticileri bağladığı adsorpsiyon ve mikrobiyal konsorsiyumların organik ve inorganik bileşikleri metabolize ettiği biyolojik bozunma mekanizmaları aracılığıyla kritik bir rol oynar.^[83] Atık su arıtımında, damlatmalı filtreler, organik maddeyi aerobik ayrışma yoluyla gidermek için ortam yüzeylerinde büyüyen biyofilmlere dayanır ve kompakt sistemlerde önemli kirletici azaltımı sağlar.^[84] Benzer şekilde, biyofilmler hidrokarbonları ve ağır metalleri adsorpsiyon ve enzimatik parçalama yoluyla bozarak toprak iyileştirmesini kolaylaştırır ve kirletici immobilizasyonunu artırır.^[85] Akvaryumlarda, filtre ortamı üzerindeki batık biyofilmler yenmemiş yem ve atık partiküllerini hapsederken amonyağı biyolojik olarak parçalar, bu birleşik fiziksel ve biyolojik eylemler yoluyla su kalitesini korur.^[86]

Öne çıkan bir mühendislik uygulaması, atık su arıtımı için verimli kütle transferini ve yüksek yoğunluklu mikrobiyal büyümeyi teşvik eden, serbestçe hareket eden plastik taşıyıcılar üzerinde biyofilmlerin oluştuğu hareketli yataklı biyofilm reaktörüdür (MBBR).^[87] MBBR sistemleri, taşıyıcı ajitasyonundan kaynaklanan gelişmiş yüzey alanı ve oksijenasyon sayesinde, yükleme ve tutma süresine bağlı olarak tipik olarak %85-95 oranında biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOD) giderim oranlarına ulaşır.^[87] Biyofilmler içindeki kirletici taşınımı difüzyonla yönetilir ve genellikle şu akı denklemiyle modellenir:

$$J = D \frac{(C_s – C_b)}{\delta}$$

Burada J difüzif akı, D difüzyon katsayısı, Cs ve Cb yüzeydeki ve biyofilm kütlesi içindeki substrat konsantrasyonları ve δ biyofilm kalınlığıdır; daha kalın biyofilmler (δ > 100 μm) taşınımı sınırlayabilir ve daha derinlerdeki kirleticiler için filtrasyon verimliliğini azaltabilir.^[88]

Uygulamalar

Tıbbi Uygulamalar

Tıbbi uygulamalar, biyouyumluluk ve hassasiyeti vurgulayarak kritik müdahaleler için filtrasyondan yararlanır. Hemodiyaliz, böbrek yetmezliği olan hastalarda fizyolojik dengeyi geri kazandırmak için difüzyon ve ultrafiltrasyon yoluyla kandan üremik toksinleri ve fazla elektrolitleri seçici olarak gidermek amacıyla, içi boş elyaf konfigürasyonlarında tipik olarak polisülfon veya selüloz bazlı malzemelerden oluşan yarı geçirgen membranlar kullanır.^[140] Cerrahi maskeler, prosedürler sırasında havadan bulaşan patojenlere karşı koruma sağlamak için %95’i aşan bakteriyel filtrasyon verimliliği elde ederek aerosolleri ve damlacıkları elektrostatik ve mekanik mekanizmalarla yakalayan eriyik üflemeli dokunmamış filtreleri entegre eder.^[141] Benzer şekilde, intravenöz (IV) sıvı uygulaması, ilaçların ve besinlerin güvenli bir şekilde verilmesini sağlamak için mikrobiyal kirleticileri ortadan kaldırmak üzere hat içi sterilizasyon filtrelerini içerir.^[142]

Bu bağlamlarda hassasiyet, sterilite ve performans için titiz standartlar gerektirir. Steril filtrasyon, virüslerin ve daha küçük varlıkların geçişine izin verirken bakterileri (tipik olarak 0,2–10 μm boyutunda) tutmak için rutin olarak 0,22 μm gözenek boyutlu membranlar kullanır; bu süreç, steril preparatların bileşimi için kabarcık noktası ve bakteriyel tutma testi gerektiren Amerika Birleşik Devletleri Farmakopesi (USP) <797> kılavuzları kapsamında doğrulanmıştır.^[143] Biyomedikal araştırmalarda protein konsantrasyonu gibi ultrafiltrasyon uygulamalarında, membran seçimi moleküler ağırlık sınırına (MWCO) bağlıdır; burada 10 kDa MWCO, tuzların ve küçük metabolitlerin geçmesine izin verirken albümin (≈66 kDa) gibi küresel proteinleri etkili bir şekilde tutar, verimi ve saflığı optimize eder.^[144] COVID-19 pandemisi, N95 solunum cihazı filtrasyonunun değerlendirilmesindeki ilerlemeleri teşvik etmiş, bu cihazların birden fazla dezenfeksiyon döngüsünde 30 saate kadar kümülatif kullanım için viral aerosollere karşı ≥%95 verimliliği sürdürdüğünü doğrulamış ve sağlık hizmeti eksikliklerinde yeniden kullanım protokollerini bilgilendirmiştir.^[145]